主动呼吸控制结合光学体表监测在左侧乳腺癌深吸气屏气放疗呼吸训练中的应用

李谭谭，覃仕瑞，李秀粉，李伟，张江鹄，宋永文，郇福奎，唐玉

1. 国家癌症中心，北京 100021；2. 国家肿瘤临床医学研究中心，北京 100021；3. 中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院放疗科，北京 100021

引言

左侧乳腺癌保乳术后全乳放疗中，心脏剂量升高会明显增加远期并发症出现概率以及死亡率[1]。Darby等[2]对2196例接受全乳放疗的乳腺癌患者进行回顾性分析，心脏平均剂量每增加1 Gy，发生冠脉疾病的风险增加7.4%。深吸气屏气（Deep Inspiration Breath-Hold，DIBH）放疗技术可以使双肺扩张，心脏远离胸壁，大幅降低心肺辐射剂量[3]。Rochet等[4]研究表明，与自由呼吸（Free Breathing，FB）相比较，75%的行DIBH患者的心脏平均剂量、左前降支以及左肺剂量均明显降低。左侧乳腺癌患者接受DIBH放疗前及放疗后六个月随访结果显示，心脏室壁运动积分指数及灌注功能均未发生变化，表征未发生心脏损伤[5]。

主动呼吸控制技术（Active Breathing Coordinator，ABC）和自主深吸气屏气（Voluntary Deep Inspiration Breath-Hold，vDIBH）是现阶段实现DIBH的两种主要方式。ABC是通过控制吸气量来帮助病人实现屏气，需用到移动控制装置、呼吸管、鼻夹、手闸、折射眼镜等辅助设备以及口、眼、鼻、手协同配合，此技术对操作人员、消毒水平有很高要求，同时增加了培训及预约时间[6-8]。vDIBH主要应用摄像头监测体外设备或体表信息实时表征呼吸水平，可由患者自主控制呼吸，无需其他辅助设备。目前常用在临床的设备有实时位置管理系统（Real-time Position Management，RPM）（Varian，Palo Alto，CA）、AlignRT（VisionRT，London，UK）、Catalyst（C-RAD，Uppsala，Sweden）[9-12]，其中第一种为体外设备，后两种为体表监测。

患者宣教以及呼吸训练对于左侧乳腺癌DIBH放疗至关重要，本研究首次结合基于吸气量控制的ABC技术和光学体表监测技术，旨在评估两种方法在呼吸训练中的相关性，探寻使用光学体表监测的可行性以及阈值控制范围，并比较两种呼吸状态下剂量学差异。

1 材料与方法

1.1 入组标准

18～70岁女性，左侧乳腺癌保乳术后拟行全乳放疗患者，全身治疗前无内乳和锁骨上淋巴结转移、无远地转移、无基础心脏病史，经宣教培训后需要熟练掌握DIBH动作，吸气量＞1 L，屏气时间＞35 s，并可连续重复上述动作6次以上。患者一般资料如表1所示。

表1 患者一般资料

1.2 主动呼吸控制训练

结合ABC（Elekta，Stockholm，Sweden）屏幕和附件（手闸、吹嘴、过滤套件、折射眼镜）对入组患者宣教培训，确认患者知晓使用流程。病人取仰卧位于乳腺托架（CIVCO，Medical Solutions，Orange City，lowa）上，双侧上肢上举，待平静呼吸稳定后嘱患者最大限度进行DIBH，三次测量取平均值记录最大吸气量Vmax。选择最大吸气量的80%V80%做为门控阈值，设定屏气时间为35 s，如患者可连续完成屏气三次以上，勾画体表标记线，分别在FB和DIBH下行CT扫描，扫描条件：120 kV、150 mAs、层厚5 mm。

1.3 光学体表监测

Sentinel（C-RAD，Uppsala，Sweden）采用扫描激光和摄像器结合方案（图1），应用在模拟定位CT机房内，在呼吸训练以及初次定位时采集患者轮廓和呼吸波形，无需在体表放置附件，虚拟门控点置于剑突下。在使用ABC训练同时，采集患者FB幅度、最大吸气幅度以及最大吸气量80%时的幅度，分别用AFB、Amax、A80%表示（图2）。计算80%幅度与最大吸气幅度比值（A80%/Amax）和80%幅度与FB幅度比值（A80%/AFB）。

图1 Sentinel光学体表定位系统

图2 虚拟门控点位置及呼吸幅度采集

1.4 剂量评估

患者DIBH和FB的CT图像分别上传至 Pinnacle 计划系统，在定位CT上勾画临床靶体积，外放成计划靶体积（Planning Target Volume，PTV），勾画危及器官。计划设计时，15例患者均予处方剂量全乳95% PTV、43.5 Gy/15次，制定切线野为主的固定野调强放疗计划。记录各患者两种呼吸状态下双肺体积、全肺V20、心脏平均剂量以及心脏受到10 Gy和20 Gy的相对体积分数（V10&V20）。

1.5 统计方法

使用GraphPad Prism 6.0软件进行数据处理和作图，使用SPSS 21.0软件对FB和DIBH两种状态双肺体积差值与ABC吸气量阈值、两种呼吸状态下心脏、肺剂量分别进行配对t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 吸气量

15例患者使用ABC训练后FB与DIBH的CT影像上双肺体积差值为（1570±192）cm3，ABC控制吸气量阈值为（1467±106）cm3，P值为0.108，两者无显著性差异，对应关系如图3所示。

图3 CT影像体积差值与ABC吸气量对应关系

2.2 光学体表幅度比较

ABC呼吸训练同时使用Sentinel测量15例患者FB、80%最大吸气量以及最大吸气量的光学表面呼吸幅度（图4），FB幅度平均为3.97 mm，95%CI为（3.2～4.7）mm；80%最大吸气量幅度平均为12.1 mm，95%CI为（11.4～14.1）mm；80%最大吸气量幅度与最大吸气幅度比值（A80%/Amax）为0.78±0.12；80%最大吸气量幅度与FB幅度比值（A80%/AFB）为3.24±1.08。139次 DIBH使用ABC控制36 s内显示吸气量无变化的情况下，光学体表幅度下降超过3 mm为15人次，占比10.8%。

图4 15例患者自由呼吸、深吸气屏气80%最大吸气量、以及最大吸气量时体表幅度

2.3 剂量学差异

DIBH与FB相比，心脏平均剂量（降幅平均为35.4%）、V10、V20、左肺平均剂量、全肺V20均显著减低（P＜0.001），见表2。

表2 FB与DIBH心脏和肺剂量学比较

3 讨论

左侧乳腺癌DIBH放疗在保证靶区照射准确的同时，要确保心脏和肺受照体积稳定可靠。Kaza等[13]研究表明，FB到DIBH双肺吸气量是保证位置准确的重要因素。本研究对两种呼吸状态CT图像上双肺体积差值与ABC的吸气量阈值进行了比较，结果两者无显著差异，CT体积差值平均值略高于ABC吸气量阈值，有1例患者前者明显低于后者。基于ABC吸气量计算原理，Remouchamps等[14]研究表明，患者在吸气时如果气流速率过快会造成吸气量被低估。即使接受了呼吸训练，患者实际接受CT扫描时呼吸速率和幅度都会增加[15]。呼气末的残余气量不稳定造成呼吸基线水平发生漂移，相同吸气量阈值下残余气量增加也会导致CT图像上双肺体积略高。与ABC吸气量阈值相比有一例患者CT图像上两种状态双肺体积差值明显较低，究其原因大概有以下两种：① 胸式呼吸和腹式呼吸两种呼吸模式不同，进入胸腔气体量也会不同。在病患宣教阶段虽然告知患者采用胸式呼吸，但部分患者由于紧张也不能很好控制。与腹式呼吸相比较，病人采用胸式呼吸胸廓扩张程度腹背方向最大有1.9 cm的差异，同时在紧张状态更容易呈现胸式呼吸[16]；② 口含呼吸嘴如果漏气，ABC设备是无法监测的，使用光学实时追踪对DIBH进行质量控制是必要的[15]。

光学体表监测设备Sentinel使用激光投射在身体表面然后探测体表位置变化，虚拟探测点为直径4 cm的圆圈置于剑突下。本研究基于吸气量控制的ABC设备使用80%最大吸气量作为门控阈值，同时监测体表呼吸幅度，发现屏气幅度与最大吸气幅度比值平均为0.78，接近0.8，相对于呼吸基线水平DIBH呼吸幅度平均为12.1 mm。Ledsom等[17]对13例左侧乳腺癌保乳术后DIBH放疗患者使用Sentinel监测体表变化，研究发现DIBH幅度平均为16.5 mm，范围为11.9～24.0 mm，与其总体水平接近，平均值略高于本研究。15例患者DIBH幅度与FB幅度比值平均为3.24，范围为2～4 mm。Ledsom等[17]对30例左侧乳腺癌保乳术后DIBH放疗患者使用RPM探测呼吸幅度变化，其研究表明DIBH幅度变化范围为0.93～5.46 cm，平均为2.27 cm，DIBH与FB幅度比值平均为10.96，95%CI为（8.98～12.94）。两种方法探测位置区域不同可能为结果差异较大的主要原因。

本研究发现在ABC设备显示病人屏气稳定的情况下，体表幅度下降超过3 mm的占比接近10%。针对CT图像上两种呼吸状态双肺体积差值明显小于ABC吸气阈值病例的体表幅度进行分析，发现该病人在DIBH前呼吸基线水平下沉，DIBH幅度明显低于平均水平，屏气状态下幅度下降6 mm。光学体表监测作为无创无辐射实时监测技术，能够帮助分析病人呼吸状态，保证高效稳定的屏气状态。ABC设备患者使用的呼吸管以及过滤套件需要执行严格的消毒，在呼吸道传染疾病流行的时期使用存在一定风险，同时对吸气容量要进行严格的校准质控。相比之下，无接触的光学体表监测帮助实现vDIBH是更加简单有效的选择。针对病患基线水平的不同，使用光学体表监测设备评价其屏气质量及治疗可行性，进而对拟行DIBH患者筛选，将是研究下一步开展的方向。

综上所述，在左侧乳腺癌保乳术后放疗呼吸训练中，使用光学体表监测设备实现高质量DIBH是有效的。